“淺埋暗挖法”的技術(shù)在地鐵建設(shè)中的應(yīng)用

“淺埋暗挖法”的技術(shù)在地鐵建設(shè)中的應(yīng)用摘要：全面總結(jié)了“淺埋暗挖法”的形成過(guò)程與其技術(shù)關(guān)鍵，介紹了“淺埋暗挖”在地鐵車站工程中的應(yīng)用與其配套技術(shù)。關(guān)鍵詞：地鐵車站；淺埋暗挖法；注漿加固；大管棚護(hù)頂；掛網(wǎng)噴射混凝土；圍巖監(jiān)控測(cè)量近十幾年來(lái)，地鐵與市政公用管線工程，越來(lái)越多的采用了“淺埋暗挖法”進(jìn)行設(shè)計(jì)與施工。其使用X圍之廣，使用單位之多，發(fā)展速度之快，令國(guó)內(nèi)外同行所矚目。剛剛建成通車的地鐵“復(fù)-八線”全長(zhǎng)12.7^,其中區(qū)間隧道長(zhǎng)約7km,地鐵西單站、天安門西站、王府井站、東單站等，均采用了“淺埋暗挖〃技術(shù)設(shè)計(jì)施工。1994?1995年間，在長(zhǎng)安街下，用“淺埋暗挖法”還建成了20余條人行地下通道，建成了頗具名聲的國(guó)家計(jì)委門前的大型地下停車庫(kù)。近5年來(lái)，每年以數(shù)百公里計(jì)的各種市政公用地下管網(wǎng)，都采用了“淺埋暗挖”技術(shù)設(shè)計(jì)施工，可謂“淺埋暗挖”遍布市各個(gè)建設(shè)地區(qū)。如今,這項(xiàng)技術(shù)已在全國(guó)各主要大城市，如XX地鐵一號(hào)線、XX地鐵、XX電力管線、XX的地下通道等普遍使用。這項(xiàng)技術(shù)之所以發(fā)展很快，主要是因?yàn)槲覈?guó)地下空間的開(kāi)發(fā)和利用歷史不長(zhǎng)，而“新奧法”的設(shè)計(jì)施工原理頗具新意，適于我國(guó)地下工程特點(diǎn)，其占地少、拆遷少、擾民少、影響交通少、污染環(huán)境少等特點(diǎn)，極其適合在城市，尤其是在城市中心區(qū)、舊城改造、繁華地帶、交通擁擠地段進(jìn)行各類地下工程建設(shè)。目前，各地區(qū)結(jié)合自身的特點(diǎn)，利用“新奧法”原理進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工均有所發(fā)展，有所創(chuàng)造，通過(guò)不斷總結(jié)，有所共識(shí)，并經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)，形成了目前大家公認(rèn)的所謂“淺埋暗挖”法原則。但是，我們還應(yīng)清醒地看到，該項(xiàng)按照“新奧法”原理興起和發(fā)展的技術(shù)雖然已被廣泛推廣使用，僅就市的情況而言，并非所有的使用單位都真正地掌握了其真諦。無(wú)論在地鐵工程中，還是在市政公用管線施工中，或因生搬硬套、或因片面性、或因配套技術(shù)不足，僅強(qiáng)調(diào)“只要會(huì)噴錨支護(hù)就會(huì)淺埋暗挖”的誤導(dǎo)，造成坍塌、沉陷、滲漏、留下無(wú)窮后患的例子，也是常見(jiàn)的。因此，有必要對(duì)“淺埋暗挖法”設(shè)計(jì)施工進(jìn)行深入的研究，綜合分析，全面總結(jié)。本文僅就地鐵“復(fù)-八線”建設(shè)中，應(yīng)用“淺埋暗挖法”設(shè)計(jì)施工主要戰(zhàn)例概括性地進(jìn)行分析總結(jié)。1“淺埋暗挖”技術(shù)首次應(yīng)用在地鐵復(fù)興門折返線工程地鐵復(fù)興門折返線工程于1986年8月15日開(kāi)工，1987年12月28日竣工。該工程主要是為了使蘋果園至復(fù)興門的地鐵車輛，在復(fù)興門底層站東端折返，從而使二環(huán)路下的地鐵二期工程形成環(huán)線，使運(yùn)輸能力提高15倍以上。鑒于該折返線工程處于繁華的長(zhǎng)安街地下，顯然，再按照過(guò)去一、二期地鐵所采用的明開(kāi)敞口、切斷交通的施工方法已不可能。當(dāng)時(shí)市地鐵建設(shè)總指揮部和鐵道部隧道工程局結(jié)合實(shí)際情況，利用〃新奧法”的原理，研究了地表浮土6?10m以下暗挖設(shè)計(jì)施工的技術(shù)并得以實(shí)施，即〃淺埋暗挖法”產(chǎn)生了。這是地區(qū)進(jìn)行地下工程設(shè)計(jì)施工的一次革命?！靶聤W法”的基本原理是：在施工的全過(guò)程中保護(hù)圍巖，調(diào)動(dòng)和發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)、自承能力，確保施工順利進(jìn)行，在工程竣工后，依靠圍巖的固結(jié)和自承力，確保不塌不陷。這也是“淺埋暗挖法”的核心。從這一原則出發(fā)，可以根據(jù)地下工程的具體條件，靈活選擇開(kāi)挖方法、支護(hù)形式、噴錨技術(shù)、施作時(shí)機(jī)和輔助工程等。復(fù)興門折返線工程全長(zhǎng)358m，包括南北區(qū)間正線隧道、渡線和各類別的洞室，共折合單線隧道長(zhǎng)1098m，隧道斷面31種最大跨度為14.46m。全部折返線隧道工程埋深9?12m,穿過(guò)第四紀(jì)沖洪積砂礫層。隧道拱部穿過(guò)粉細(xì)砂層，邊墻穿過(guò)礫石或砂礫層，無(wú)膠結(jié)，松散、自穩(wěn)能力差。為了達(dá)到“地表沉降不大于30mm,不塌不陷、不滲不漏”的設(shè)計(jì)要求，確保工程質(zhì)量，做到萬(wàn)無(wú)一失，邊試驗(yàn)邊施工，經(jīng)專家認(rèn)定，采用復(fù)合式襯砌法進(jìn)行設(shè)計(jì)。初期支護(hù)的形式為網(wǎng)構(gòu)剛架+鋼筋網(wǎng)+C20噴射混凝土，厚30cm；二次襯砌為35cm厚的防水混凝土在初期支護(hù)和二次襯砌間布設(shè)PVC防水板。通過(guò)研究實(shí)踐，初步形成了一整套〃淺埋暗挖〃的設(shè)計(jì)施工技術(shù)。這里對(duì)3個(gè)主要技術(shù)環(huán)節(jié)簡(jiǎn)述如下。穩(wěn)定地層，改造地層，提高松軟地層的自穩(wěn)能力穩(wěn)定地層的主要手段是用注漿加固隧道周邊地層，用管棚加固隧道拱部地層。要根據(jù)地質(zhì)和施工的具體情況確定注漿的X圍、壓力和材料，達(dá)到改善地層的物理力學(xué)參數(shù)（民C、 φsμ），提高地層的自穩(wěn)能力。大管棚護(hù)頂，就是運(yùn)用鉆機(jī)沿洞室拱部輪廓線鉆設(shè)DN115的鋼管，布設(shè)X圍為80°?140°,每m布4根且管內(nèi)注滿水泥漿液。從開(kāi)挖到進(jìn)尺,整個(gè)洞室處于大管棚的支護(hù)之下。小導(dǎo)管注漿加固地層，就是利用DN42mm的小型鋼管，在洞室周圍按30?50cm間距布設(shè)，壓注水泥或水玻璃漿液，填充砂礫層孔隙，使之凝固膠結(jié)成為具有一定強(qiáng)度的殼體,為施工創(chuàng)造一個(gè)安全的環(huán)境。當(dāng)時(shí),市政府曾撥?？?組成試驗(yàn)小組,在復(fù)興門折返線粉細(xì)砂地層中注射改性水玻璃砂漿，試驗(yàn)固結(jié)效果，一舉成功。開(kāi)挖與初期支護(hù)是施作地下工程的關(guān)鍵一般在單洞掘進(jìn)時(shí)采用上下臺(tái)階法施工,在上臺(tái)階開(kāi)挖中采用環(huán)行開(kāi)挖留核心土穩(wěn)定掌子面的方法。同時(shí)，在上臺(tái)階開(kāi)挖中,要緊跟下臺(tái)階的開(kāi)挖支護(hù)，使初期支護(hù)一次成環(huán)封閉,增強(qiáng)圍巖的承載能力。上下臺(tái)階開(kāi)挖相錯(cuò),視地質(zhì)情況，以1.5?2.5倍洞室的跨度為宜。初期支護(hù)是由鋼筋格柵、掛網(wǎng)噴射混凝土構(gòu)成。格柵的制作與布設(shè)必須保證剛度和工藝要求。應(yīng)強(qiáng)調(diào)架立上臺(tái)階格柵時(shí)，要加大拱腳或拱腳錨固的力度，以防下沉。在上下臺(tái)階格柵連接時(shí)，要注意連接部位的拱腳，必須保持干凈，清理回彈料。拱部環(huán)狀開(kāi)挖、鋼筋掛網(wǎng)噴射混凝土作為初期支護(hù)，要求承受全部荷載。同時(shí)，應(yīng)重視回填注漿，即初期支護(hù)和二次襯砌完成后，應(yīng)緊跟拱部回填注漿，填實(shí)拱部土層、初期支護(hù)與二次襯砌的間隙，對(duì)確保結(jié)構(gòu)安全和控制地表沉降十分重要。還要指出的是，折返線暗挖施工中錨桿是被廣泛應(yīng)用的一種圍巖支護(hù)加固的形式。因此錨桿的布設(shè)和安裝質(zhì)量也直接影響支護(hù)穩(wěn)定圍巖的作用。圍巖的監(jiān)控量測(cè)是暗挖施工中必不可少的保證措施突出強(qiáng)調(diào)監(jiān)控量測(cè)技術(shù)，是因?yàn)榘低谑┕r(shí)要全力掌握整個(gè)施工過(guò)程中的力學(xué)變化動(dòng)態(tài)，并力求全面掌握其規(guī)律。根據(jù)圍巖支護(hù)襯砌的力學(xué)變化特性曲線，評(píng)價(jià)開(kāi)挖和支護(hù)的安全度，在開(kāi)挖步驟、支護(hù)參數(shù)、施工程序等方面與時(shí)進(jìn)行調(diào)整，為整體工程的調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)，使開(kāi)挖和支護(hù)處于最佳的受控狀態(tài)。復(fù)興門折返線已建成十幾年，經(jīng)過(guò)1989年坦克車連續(xù)通過(guò)的考驗(yàn)，證明其結(jié)構(gòu)安全可靠，其基本經(jīng)驗(yàn)是成功的。經(jīng)市政府專家顧問(wèn)組和市地鐵建設(shè)總指揮部共同研究，歸納總結(jié)出24字方針“管超前、嚴(yán)注漿、短開(kāi)挖、強(qiáng)支護(hù)、穩(wěn)中央、速封閉、多試驗(yàn)、勤量測(cè)”，起名為“淺埋暗挖”法原則。2“淺埋暗挖”技術(shù)的推廣應(yīng)用通過(guò)復(fù)興門折返線的建設(shè)，一整套的“淺埋暗挖”技術(shù)形成后，首先在地鐵“復(fù)-八線”建設(shè)中得到了充分的使用和肯定。地鐵建設(shè)總指揮部在1990?1992年間多次開(kāi)會(huì)、請(qǐng)專家論證，明確要求地鐵西單站、天安門西站、天安門東站、王府井站、東單站用“淺埋暗挖法”設(shè)計(jì)施工。為地鐵“復(fù)-八線”建成通車突破難關(guān)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。各個(gè)地鐵車站根據(jù)不同地質(zhì)情況確定的施工方法如下：西單站采用“雙眼鏡法”施工西單地鐵車站于1989年4月底開(kāi)標(biāo)，同年7月15日開(kāi)工，1992年10月10日竣工試運(yùn)行，比同類工程縮短工期1年左右。該車站的施工是在松軟土質(zhì)中進(jìn)行的，綜合運(yùn)用了6項(xiàng)技術(shù)，即大管棚護(hù)頂強(qiáng)支護(hù)、小導(dǎo)管嚴(yán)注漿加固、短快開(kāi)挖支撐基礎(chǔ)、梁板柱相接力平衡、剛?cè)峤Y(jié)合復(fù)合防水，監(jiān)控量測(cè)調(diào)控指導(dǎo)(詳見(jiàn)本刊1993,(1)：2?5)。天安門西站、王府井站和東單站的暗挖施作方法天安門西站全長(zhǎng)226.1m,寬23.8m,高15.25m，結(jié)構(gòu)覆土厚5.8m。車站主體穿過(guò)粘土、亞粘土和砂礫石地層，地下承壓水位在結(jié)構(gòu)底板以上1.5m，有7條市政公用管線于站頂穿過(guò)。地處人民大會(huì)堂西側(cè)路和石碑胡同之間。經(jīng)過(guò)優(yōu)化各種暗挖方案后，決定該站采用洞柱結(jié)合的暗挖逆作法（見(jiàn)圖1）。實(shí)際上是沿襲了“蓋挖逆作”的方法。與一般暗挖法相比，其具有如下特點(diǎn)：①先施作車站承載結(jié)構(gòu)，再逐步實(shí)施開(kāi)挖、加載。開(kāi)挖時(shí)無(wú)明顯力的轉(zhuǎn)換，可有效控制地面沉降，保證施工安全。施作時(shí)，首先在車站仰拱部位作4個(gè)小導(dǎo)洞，用人工挖孔到車站的底板位置，再對(duì)應(yīng)挖下面的4個(gè)小導(dǎo)洞，在下面的4個(gè)小導(dǎo)洞內(nèi)施作條形基礎(chǔ)，然后作中柱和頂梁，自上而下緊跟施作扣拱、中隔板與邊墻、封閉成環(huán)。這樣的施工方法安全可靠，依靠天、地梁和中柱承受了全部動(dòng)載和靜載,為大面積的開(kāi)挖創(chuàng)造了條件；②為適應(yīng)這種特殊工藝的需要，車站主體結(jié)構(gòu)由原來(lái)的三拱、兩柱、曲墻、仰拱，改為三拱、兩柱、直墻、平底板。為施工安全，開(kāi)挖時(shí)巧妙地將正作和逆作相結(jié)合。圖1暗挖逆作法示意該方法的優(yōu)點(diǎn)是改變了地下工程暗挖中習(xí)慣的分塊開(kāi)挖支護(hù)，以小環(huán)封閉通過(guò)力的轉(zhuǎn)換到大環(huán)封閉，造成臨時(shí)工程多、拆除量大的問(wèn)題。同時(shí)，這種洞柱結(jié)合暗挖逆作法直接完成永久性結(jié)構(gòu)，減少了地下結(jié)構(gòu)施作時(shí)多次力的轉(zhuǎn)換和干擾，有利于保證施工質(zhì)量，控制地面下沉，降低工程造價(jià)。不足之處是在小導(dǎo)洞內(nèi)作梁、柱基礎(chǔ)，施工環(huán)境差，且人工挖孔不安全因素多。另外，通過(guò)小導(dǎo)洞的延伸開(kāi)挖，施作邊墻，缺乏整體性，零碎、表面凹凸不平，如處理不好影響二次襯砌防水效果。天安門東站地處天安門廣場(chǎng)東側(cè)，歷史博物館北側(cè)，長(zhǎng)安街下，采用三跨兩柱三層箱式結(jié)構(gòu)形式。全長(zhǎng)218.3m,寬160m,高15.25m，地上覆地厚度1.5m。車站主體位于雜填土、砂粘土、亞粘土和圓礫土中。各種市政公用管線在縱橫交錯(cuò)的地表土中通過(guò)。由于該站有臨時(shí)圍擋和交通疏導(dǎo)的條件，可占用土地。首先，用“淺埋暗挖法”完成地下條形基礎(chǔ)的施作，并結(jié)合人工挖孔的辦法施作邊樁和中柱，然后頂上扣蓋形成封閉，為開(kāi)挖創(chuàng)造條件。該方法實(shí)際是把傳統(tǒng)的“蓋挖逆作法”和“淺埋暗挖法”相結(jié)合，稱為“條形基礎(chǔ)蓋挖逆作法”（見(jiàn)圖2）。其特點(diǎn)是利用傳統(tǒng)的人工挖孔形成柱體結(jié)構(gòu)，施作地下條形基礎(chǔ)，利用無(wú)入土深度邊樁作為周邊圍護(hù)結(jié)構(gòu)，操作程序便捷。圖2條形基礎(chǔ)蓋挖逆作法示意但其不足之處明顯存在。盡管天安門東站創(chuàng)造了從地面較大X圍圍擋到頂蓋封閉、恢復(fù)路面通車僅用139d的施工記錄（一般蓋挖法需1年左右時(shí)間），具有較大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，但在城市鬧市區(qū)要獲得大面積圍擋139d的機(jī)會(huì)仍是不可多得的。同時(shí)，人工挖孔樁的危險(xiǎn)因素導(dǎo)致不宜多用。所以，天安門東站的“條形基礎(chǔ)蓋挖逆作法”只是特定環(huán)境下，從實(shí)際出發(fā)的特定設(shè)計(jì)施工方法。王府井站位于東長(zhǎng)安街與王府井大街十字交叉路口，全長(zhǎng)241.4m，寬24.3m,高14.21m。其所處地理位置、環(huán)境因素、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件與天安門東、西站大致相同，屬第四紀(jì)地層。所不同的是地下水豐富，共分3層：上層滯水埋深4.5?5m,主要分布在輕亞粘土層；中間為潛水層，位于地下13.5m左右的中細(xì)砂中；下層為承壓水，埋在17m左右的中粗砂、礫砂與卵石層中。因此該站施工方法不但要暗挖，而且必須解決好防治水問(wèn)題。經(jīng)反復(fù)比較研究，最后確定采用“淺埋暗挖樁柱支撐法”，利用車站上部無(wú)水地層空間進(jìn)行有水地層的護(hù)壁樁和中間支撐樁柱的施作，結(jié)合大管棚和小導(dǎo)管注漿加固地層的傳統(tǒng)做法形成車站初期支護(hù)，與前述天安門東站西站類似。所不同的是在樁柱完成后，在邊樁間先施作帷幕注漿，再繼續(xù)完成洞體內(nèi)的開(kāi)挖和各項(xiàng)結(jié)構(gòu)工程。其施工特點(diǎn)是：在有承壓水和潛水的情況下，利用自然存在的無(wú)水層施作邊樁、中柱、支護(hù)并合理布設(shè)帷幕注漿，形成大作業(yè)空間，按程序完成樁、柱、梁板的制作與連接，整體灌注車站結(jié)構(gòu)和施作防水，既解決了在松散地層超淺埋暗挖時(shí)，地下洞體系統(tǒng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全可靠性，有效地控制了地表沉降，同時(shí)解決了帶水施工和無(wú)水作業(yè)，防止了因施工需要各種防排水措施對(duì)地下水資源的破壞，減少了因降水引起的地表沉降，確保周圍建筑物的安全。同樣還存在不足，如：注漿的配制條件、人工（或機(jī)械）操作的工藝水平和地層結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)等，都存在可變性，因此，帷幕注漿的封閉，可靠性受到影響，難免出現(xiàn)滲漏。同時(shí)，地下導(dǎo)洞內(nèi)鉆孔機(jī)具操作空間較小，難于操作。另外，在施工過(guò)程中，首先完成初期支護(hù)，形成單柱雙跨結(jié)構(gòu)，然后轉(zhuǎn)換成兩柱三跨雙層結(jié)構(gòu)，需拆除兩層橫支撐和中柱造成廢棄工程量較大。地鐵東單站全長(zhǎng)241.3m，寬22.4m，高13.73m。地下水文地質(zhì)資料類似于王府井站，施工方法也類同。3地鐵“淺埋暗挖法”施工中常用的配套技術(shù)(1)新型結(jié)構(gòu)復(fù)合式襯砌防水在初期噴錨支護(hù)與二次襯砌模筑混凝土之間，鋪設(shè)一層柔性的防水材料，例如LDPE、PVC、EVA、ECB等，只要施工工藝和管理工作到位，可以做到不滲不漏。(2)降水技術(shù)這一重要的配套技術(shù)，施作簡(jiǎn)單、效果好，特別是井點(diǎn)降水方法技術(shù)簡(jiǎn)單。如地鐵永安里車站建設(shè)時(shí)，用井點(diǎn)降水獲得較大成功。所有降水方法都要考慮好地表和建筑物的沉降與對(duì)水資源保護(hù)問(wèn)題。(3)注漿加固技術(shù)地層的注漿工藝和漿液配比要因地制宜。如在粉